автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.04, диссертация на тему:Разработка и исследование негорючих смазочных композиций на водно-гликолевой основе

61' 99 - , Л5-0

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ИВАНОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

Комарова Татьяна Геннадьевна

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ. НЕГОРЮЧИХ СМАЗОЧНЫХ композиций НА ВОДНО - ГЛИКОЛЕВОЙ ОСНОВЕ

Специальность 05.02,04 — "Трение и износ в машинах'1

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель — доктор технических наук, профессор В.Г.Мельников

Иваново —■ 1998

СОДЕРЖАНИЕ

Введение................... . .

1, Литературный обзор...............

1.1. Требования, предъявляемые к негорючим смазочным

3

и гидравлическим жидкостям ........

1.2. Обзор рынка негорючих синтетических смазочных

о

о

и гидравлических жидкостей........

2. Методики проведения экст^зиментов .......

3. Исследование свойств водно-гликолевых смазочных

9

29

композиций

3.1. Влияние концентрации базовых компонентов на реологические и триботехнические свойства ......38

3.2. Влияние соединений на основе диаминов на триботехнические свойства водно-гликолевых композиций ........................57

3.3, Влияние антикоррозионных добавок на триботехнические свойства водно-гликолевых

жидкостей .....................74

3.4, Некоторые эксплуатационные свойства водно -гликолевых смазочных композиций ..............85

4. Производственные испытания и рекомендации к применению водно-гликолевых композиций

в промышленности ..................97

Общие выводы и заключение.............. 104

Список литературы ........................107

Приложения . .....................115

ВВЕДЕНИЕ

Пик развития синтетических смазочных материалов приходится на 50-е годы XX века, когда появилась скоростная авиация, для которой минеральные масла оказались непригодными. Требовались принципиально новые смазочные масла, которые могли быть созданы только химическим путем. За короткий срок были синтезированы и испытаны десятки классов химических соединений. Наиболее эффективными оказались синтетические масла на основе сложных эфиров. Появилось первое промышленное производство синтетических масел, удовлетворяющих требованиям авиационной техники. Затем наступил некоторый спад и поток научной информации о новых исследованиях в области синтетических масел сократился. По-видимому, это было связано с тем, что военная авиация удовлетворила потребность в синтетических маслах, а гражданские отрасли не могли их использовать из-за высокой стоимости. Кроме того, качество минеральных масел было значительно улучшено за счет модернизации существующих технологических процессов. Вместе с тем в 70-х годах вновь возрос интерес к синтетическим маслам и резко увеличился поток патентной информации. Этому способствовал возникший нефтяной кризис. Важную роль сыграли также отдельные попытки использования синтетических масел в соприкасающихся с военной техникой отраслях, в которых их применение оказалось экономически более выгодным, чем минеральных масел. Было синтезировано большое число углеводородных, эфирных и гетероорга-нических соединений в качестве основы синтетических смазочных масел ( ССМ ). Проводились широкие испытания предложенных продуктов почти во всех отраслях народного хозяйства. Особенно большие успехи были достигнуты в разработке синтетических масел на основе поли-а-олефинов. Тем не менее ни одна из этих разработок не получила практической реализации, за исключением опытно-промышленных произ-

водств в некоторых развитых странах [1]. Начиная с ВО-х годов поток патентной информации резко сократился. В этом, помимо других причин, возможно, сыграло роль и то обстоятельство, что синтетические масла стали продуктом стратегического назначения.

Как видно из таблицы 1, синтетические масла могут найти применение во всех областях, где применяют нефтяные масла. ССМ обеспечивают более высокую эффективность и надежность работы оборудования в условиях повышенных скоростей и нагрузок, приводят к снижению расхода топлива на ( 5-10)% [2], снижению токсичности выхлопа, увеличению срока службы двигателя и уменьшению расхода масла в ( 2-3) раза за счет повышения срока смены масла.

Таблица 1

Перспективные области применения синтетических масел [ 2 ]

Область хозяйства Применение

Наземный транспорт Моторные масла, включая масла для двухтактных двигателей; трансмиссионные жидкости; тормозные жидкости; пластичные смазки

Промышленность Смазочные масла для газовых турбин,компрессоров и зубчатых передач; масла для циркуляционных систем, подшипников, воздушных, газовых и охлаждающих компрессоров; гидравличнские жидкости; изоляционные масла; жидкости для обработки металлов; пластичные смазки.

Авиация и морской транспорт Смазочные масла для газовых турбин; газовые и охлаждающие компрессоры; гидравлические жидкости и пластичные смазки.

Таблица 2

Использование ССМ в промышленности [ 3 ]

Применение Условия ССМ Преимущество

1 2 <> 4

Резиновые, пластиковые каландры Высокие температуры (180-260)°С Синтетические углеводороды, полигликоли Большой срок службы,меньшие отложения, окисление и разложе-ние.Экономия около 10% энергии, сокращение времени разгона.

Подшипники ширильных машин и ленточных транспортеров Высокие температуры (180-260)°С Синтетические углеводороды, полигликоли Меньшие отложения и улучшенные противоиз-носные свойства.

Закрытые приводы Большие и ударные нагрузки Синтетические углеводороды, полигликоли Меньшие отложения и улучшенные противоиз-носные свойства. Лучшая устойчивость при высокой температУе, большой срок службы.

Гидравлические приводы Огнеопасная среда Эфиры фосфорной кислоты, водные растворы полигли-колей Устойчивость против воспламенения

Гидравлические жидкости Возможность накопления рудного газа Водные растворы полигликолей Устойчивость против воспламенения

Металлургическая промышленность Огнеопасная среда Эфиры фосфорной кислоты, водные растворы полигликолей Устойчивость против воспламенения

Использование синтетических смазочных материалов сдерживается прежде всего высокой стоимостью, однако расширение мощностей производства должно привести к некоторому снижению их себестоимости. Среди недостатков ССМ отмечают их несовместимость с некоторыми лакокрасочными материалами и резинотехническими изделиями, а

также повышенную коррозионную активность водосодержащих композиций.

В качестве синтетических масел испытаны почти все классы органических соединений, и как видно из данных, приведенных Nehls Н. в табл. 2, наибольшим спросом будут пользоваться смазочные масла для зубчатых передач, все виды компрессорных масел, гидравлические масла, теплоносители и продукты для переработки металлов [ 3 ].

По данным Williamson E.I. [ 4 ] , четыре продукта из основных синтетических смазочных материалов, а именно: поли-а-олефины, ал-килбензолы, эфиры двухосновных кислот и эфиры многоатомных спиртов уже оспаривают между собой рынок синтетических смазочных материалов, разрабатываемых в США и Европе для использования в качестве моторных масел. Полиалкиленгликоли для этох целей оказались непригодными из-за несовместимости с минеральными малами, но могут быть рекомендованы для производства жидкостей для закалки и обработки металлов, гидравлических жидкостей и смазок для зубчатых систем.

Из вышеизложенного следует, что разработка синтетических смазочных материалов с улучшенными показателями для замены минеральных масел является актуальной задачей.

Цель данной работы - разработка негорючих синтетических смазочных композиций на водной основе из сырья, выпускаемого крупным тоннажом, для эксплуатации в различных режимах трения, а также разработка технологии получения указанных жидкостей.

В связи с этим в работе были поставлены следующие задачи:

- изучение влияния загустителей на эксплуатационные свойства синтетических смазочных композиций;

- оптимизация состава композиций, исходя из взаимного влияния загущающих и функциональных присадок на реологические и трибо-технические свойства;

- исследование коррозионной активности разработанных водно-гликолевых композиций к материалам пар трения и подбор эффективных ингибирующих добавок;

- выдача рекомендаций для промышленного использования разработанных смазочных композиций.

Настоящая работа выполнена в соответствии с техническим заданием хоздоговоров № 24.02.92/93 "Разработка составов и наработка опытных партий ВСК "Акванол" для замены минеральных масел в отделочном производстве" (Ивановский камвольный комбинат, 1992г ); ]Чс 24.234.93 "Разработка составов и наработка опытных партий смазочных композиций типа "Акванол" для оборудования кислородно-конверторного цеха НТМК" < АО "Уралмаш", 1993); № 24.384.94/95 ( АО НТМК, 1994г.); ИНТП "Нефтехимия и выпуск химических товаров бытового назначения" на 1995-97г.г.( Пр. № 45-10 Минобразования РФ от 11.03.1993 г); ИНТП "Прецизионные технологии и системы", раздел П.И.503 "Нефтехим" на 1998-2000 г.г.(Пр. №258 Минобразования РФ от 02.02.1998 г.); единым заказ-нарядом Минобразования РФ на 1995-2000 гг. по направлению "Теоретическое и экспериментальное моделирование свойств многокомпонентных водно-гликолевых систем"

1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1Л .Требования, предъявляемые к негорючим смазочным и гидравлическим жидкостям

Идеальная смазочная или гидравлическая жидкость должна обеспечивать рабочим органам необходимые силовые и кинематические параметры; обладать хорошими противоизносными свойствами; быть пожаробезопасной в условиях эксплуатации и хранения, нетоксичной и не иметь неприятного запаха; иметь большой срок службы и сохранять свои свойства в условиях эксплуатации и при хранении; мало изменять вязкость в рабочем диапазоне температур; иметь температуру застывания на (20-10)°С ниже наименьшей температуры окружающей среды; быть совместимой с материалами рабочей системы; иметь низкую упругость насыщенных паров и высокую температуру кипения; мало растворять в себе газы и обеспечивать их быстрое отделение; предотвращать коррозию металлов; обеспечивать хороший теплоотвод; мало изменять свои эксплуатационные свойства при попадании в нее воды; иметь невысокую стоимость и быть недефицитной.

В гидравлических приводах металлургических машин рабочая жидкость является средством передачи мощности от ее источника к местам потребления, осуществляет смазку трущихся пар, отвод тепла, удаление из гидросистем продуктов износа и т.д. В условиях работы металлургических производств на одно из первых мест выступает требование пожаробезопасности рабочих жидкостей, т.к. пожары наносят не толь-

и и ^

ко значительный материальный ущерб, но и нередко связаны с тяжелым травматизмом обслуживающего персонала.

Одной из основных проблем, общей для всех областей техники, является повышение надежности и долговечности машин, механизмов, приборов. Повышение надежности машин увеличивает ее экуплуатаци-онные и межремонтные сроки, сокращает время простоя в ремонте и

снижает его стоимость, повышает безопасность работы. Увеличение долговечности машин практически равноценно увеличению их выпуска, что в конечном счете повышает производительность труда и уменьшает стоимость продукции.

Статистика показывает, что более 80% машин и механизмов выходят из строя в результате износа деталей, работающих в условиях трения - подшипников, зубчатых колес, деталей уплотнений, скользящих направляющих и др. [ 5 ]. Одним из наиболее экономически выгодных путей увеличения долговечности узлов трения в различных машинах и механизмах являются правильный подбор и повышение качества смазочных материалов, что может быть достигнуто введением в них противоизносных, противозадирных и антифрикционных присадок.

Замена минеральных масел синтетическими негорючими или трудногорючими жидкостями является актуальной и важной задачей, позволяющей обеспечить пожаробезопасные условия эксплуатации механизмов. В этой связи разработка негорючих смазочных композиций с высокими триботехническими показателями на основе отечественного доступного сырья являлась целью данной работы.

1.2. Обзор рынка негорючих синтетических смазочных и гидравлических жидкостей

За последние 20 лет у нас в стране и за рубежом разработано большое количество огнестойких смазочных и гидравлических жидкостей различных классов [ 1, 6]. В соответствии с предложениями ISO [ 7 ] огнестойкие гидравлические жидкости делятся на 4 класса ( ранее класс трудновоспламеняемых жидкостей обозначался HS [ 8 ].

Класс "HFA" - водные эмульсии типа "масло в воде", содержащие (95-98)% воды и (2-5)% минерального масла с добавлением присадок.

Мельчайшие капельки масла распределены в воде для улучшения смазочных свойств жидкости, роль эмульгаторов, как правило, выполняют поверхностно-активные вещества ( ПАВ) [ 9 ]. К жидкостям данного класса относятся эмульсии типа ВНИИНП-117, Аквол-3, Укринол, Shell DROMUS Oil В [ 8 ].

В работе [ 10 ] отмечается,что основными достоинствами ГЖ на основе воды ( до 98% воды) являются их низкая стоимость, низкие транспортные и складские расходы, малая опасность для окружающей среды, постоянство величины вязкости в пределах интервалов рабочих температур и др. Однако не исключается возможность потери огнестойкости вследствие расслоения жидкости при длительном хранении; в присутствии большого количества воды идет более ускоренная коррозия металлических элементов гидроприводов, рабочая температура таких жидкостей ограничена точками замерзания и кипения воды. К тому же у жидкостей класса HFA по сравнению с минеральными маслами повышено ( примерно в 100 раз) давление паров, пониженная вязкость, что вызывает 12 - кратное увеличение внутренних и наружных утечек [ 11 ].

Класс "HFB" - инвертированные эмульсии типа "вода в масле", содержащие около 40% водорастворимых масел и воду с добавлением присадок, важнейшей из которых является эмульгатор, который позволяет маслу охватывать мельчайшие частицы воды, например, эмульсия марки ОЭРЖ-1 ( ТУ 38.401.16-78) [ 12,13 ]. Из зарубежных жидкостей этого класса известны жидкости Shell Irus Fluid BLT68 и 100, Sensif.

Пожаробезопасность эмульсий данного класса обеспечивается при содержании в них не менее 30% воды, поэтому в процессе эксплуатации необходимо периодически проверять и поддерживать содержание воды ( 35-50 )%мас. Эмульсия ОЭРЖ-1 не расслаивается при хранении в

нормальных условиях в течение 2-3 месяцев, хорошо совместима с металлами и другими материалами, применяемыми в гидроприводах, за исключением материалов, адсорбирующих воду ( кожа, ткани, картон, асбест, фибра) ( табл 1Л.).

Эмульсии имеют более высокую пенообразующую способность, чем минеральные масла, в связи с этим необходимо исключить возможность попадания газа в рабочую жидкость. Скорость жидкости в нагнетательных трубопроводах рекомендуется поддерживать не более 5 м/с[ 14].

Эти жидкости хорошо совместимы с уплотнениями из резин на основе нитрилъных каучуков, однако, по стабильности эксплуатационных параметров и антикоррозионным показателям значительно уступают минеральным маслам; могут применяться в неответственных ма-лонагруженных гидроприводах.

Однако широкому применению водно-масляных эмульсий ( как прямых, так и обратных) препятствует ряд их серьезных недостатков. Во-первых, в обратных эмульсиях из-за наличия достаточно большого количества воды часто развиваются микроорганизмы бактериальной или грибковой природы. В ряде случаев, как отмечено в [ 15 ], рост и развитие микрофлоры могут быть настолько велики, что в течение сравнительно короткого времени оборудованию может быть причинен значительный ущерб. Во-вторых, как правило, в их среде происходит более ускоренный процесс коррозии металлических частей оборудования. Следует также отметить, что интервал рабочих температур таких жидкостей ограничен точками замерзания и кипения воды.

Следует отметить и тот факт, что не все компоненты оборудования совместимы с эмульсиями. Фирма Оет11ег-Вепг, выпускающая такие жидкости с 1974 года, в своих рекомендациях по их использованию

отмечает, что нельзя применять в контакте с эмульсиями детали и покрытия из целого ряда металлов, в частности, цинка и кадмия.

Класс "НРР" - синтетические жидкости. Они подразделяются на четыре группы: на основе сложных эфиров фосфорной кислоты, фтор-содержащие углеводороды, хлорсодержащие углеводороды, кремний-органические( силоксановые) жидкости.

Сложные эфиры фосфорной кислоты обладают рядом свойств, которые позволяют использовать их при производстве смазочных жидкостей в качестве основы, компонентов основы и присадок.

Они обладают высокими противоизносными свойствами. Сущность механизма их противоизносного действия состоит в том, что при локальных перегревах, вызванных трением, эфир вступает в химическое взаимодействие с металлом, образуя низкоплавкий сплав, который пластически деформируется,